10 kV配电线路故障排除的具体措施研究

孔仪潇

（国网杭州供电公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

10 kV中压配电线路主要用于城市、农村及工业区域的供电，其可靠性关系到企业生产和居民生活。受到自然因素、外力因素、设备因素的综合影响，线路运行时容易出现各类故障。制定快速、可行的故障排除措施成为保障电力稳定性的必然路径。当前，针对短路、断线、雷击等故障形式已经形成了较为丰富的检查和定位方法，探索相关的新措施、新技术具有广泛的工程应用价值。

1 10 kV配电线路常见故障分类及原因分析

1.1 10 kV配电线路常见故障分类

根据国家能源局和中国电力企业联合会发布的《2021年全国电力可靠性年度报告》，全国10 kV供电系统的主要停电原因及占比如图1所示。自然因素、外力因素、设备因素成为线路故障的主要原因，进一步可推知，配电线路常见的故障表现为线路短路、架空线路断路、雷击受损、设备老化等。

图1 2021年全国10 kV供电系统故障停电原因及占比

1.2 典型故障原因分析

1.2.1 断路故障原因分析

大风大雨、线路覆冰、外部施工因素、交通车辆破坏均可产生较大的作用力，一旦超过配电线路的承受能力，就会引起线路断裂。

1.2.2 短路故障原因分析

短路分为单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路以及两相间短路，成因包括动物活动、线路金属性短路、隔离开关弧光短路以及雷击闪络等。例如，动物活动可能导致相间形成回路，进而引起短路；雷击引起的线路电流过载可烧毁隔离开关的线夹，产生拉弧现象，引起相间短路[1]。

1.2.3 线路和设备老化

以线路老化为例，10 kV配电线路受到环境温度、化学腐蚀以及线路绝缘体自然老化等因素的影响，出现绝缘效果下降或者完全失效，为线路安全埋下隐患。

2 10 kV配电线路典型故障排除措施

配电线路的故障类型多样，其检测原理、故障定位方法也存在较大的差异，文章主要介绍断线和雷击2种典型故障的主要排除措施。

2.1 断线故障检测与定位

2.1.1 断线故障的判据

断线分为单相断线和多相断线，排除此类故障的关键在于快速定位断线的具体部位，并及时修复线路，恢复供电。当线路断路之后，其序电流、相电流、电压都会发生显著的变化，为电力部门判断故障类型提供了理论依据，文章介绍3种单相断线故障的判据。

线路单相断线之后，其负序电流（一种三相交流电中的无功电流）和正序电流将会发生较为显著的变化，因而可将负序电流和正序电流作为主要判据[2]。

（1）负序电流判据。在系统中可设置针对负序电流的整定值，一旦线路负序电流超过该整定值，即可判断为单相断线。将负序电流的整定值记为Iset.2，线路k断线后产生的负序电流记为I2'，则Iset.2的计算公式为

式中：Krel.2为可靠系数。

（2）正序电流判据。当10 kV线路单相断线之后，线路上会产生显著的正序电流变化，将这一变化量记为ΔI1'。根据ΔI1'设置整定值，作为单相断线的正序电流判据，将整定值记为ΔIset.1。整定值ΔIset.1的计算公式为

式中：Krel.1为可靠系数。

（3）辅助性判据。单相断线发生在A、B、C三相中的某一个，相电流会因此而出现明显的差异。将断线故障前的相电流记为IA、IB、IC，断线之后的相电流分别记为I'A、I'B、I'C[3]。相电流的变化量记为ΔIA、ΔIB、ΔIC，则有

假设A相发生断线故障，则相电流判据为

利用相电流辅助判断的流程为测量A、C两相电流及变化量，若有ΔIA＜0且ΔIC＜0，说明故障线路为单相断线。再比较|ΔIA|和|ΔIC|，如果|ΔIA|＜|ΔIC|，则为C相断线，反之则是A相断路[4]。如果|ΔIA|=|ΔIC|，则是B相发生断路。

2.1.2 断线故障定位方法

在故障定位阶段，可将线路划分成若干个区段，通常断线故障仅发生在某个单一区段上。电流变化与电压呈正相关，因而可将电流判据转化为电压判据。工程应用阶段，每个区段的关键节点上应设置可以将数据自动上传至数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统的电压互感器等电压检测装置，为计算和分析提供数据源。当线路正常运行时，相邻监测点虽然存在一定的压降，但是这种电压变化相对较小。如果发现相邻监测点的零序电压或相电压产生了明显的变化，说明2个监测点间的区段存在断线。这一过程中要将负序电流判据、正序电流判据作为主要的参考依据，进行综合判断[5]。这种基于电流、电压数据的故障定位方法具有较高的可靠性，能够帮助技术人员快速定位故障区段。

2.2 架空配电线路雷击故障排除措施

雷击对配电线路及相关设备的主要危害方式为过电压，具体又分为直击雷过电压和感应雷过电压，因此针对雷击故障的排除措施包括识别雷击过电压和定位发生雷击的具体部位。

2.2.1 架空配电线路的雷击过电压辨识方法

信号频谱分析方法是常见的架空配电线路雷击过电压辨识方法。过电压会导致配电线路瞬时电压幅值升高，并且雷击所造成的电压在频率和相位上与线路正常电压存在很大的差异，电流也会因此产生类似的变化，因此分析线路的频谱变化可实现雷击过电压辨识。小波包理论能够综合分析电力信号，可借助该方法构建雷击过电压辨识模型。将电力波形信号记为x(t)，运用小波包分析法提取小波包能量，对该信号波形进行j层小波包分解，得到的表达式为

式中：i为波形信号频率的指标；t为时间。

该波形信号的总能量可表示为

式中：Ex为信号波的能量；m和n为小波函数中的参数[6]。

2.2.2 架空配电线路的雷击过电压故障定位

（1）建立仿真模型。在辨识雷击过电压类型的基础上，需进一步定位发生雷击的位置，为设备和线路修复提供信息。存在如图2所示的配电线路模型，在其主干线上设置4个电压监测点，监测点按照从左到右进行编号，分别为监测点1、监测点2、监测点3、监测点4，F1为发生雷击的位置。

图2 配电线路模型

（2）故障定位仿真及结果。当线路发生雷击时，过电压会导致绝缘子闪络，监测2和监测点3靠近雷击位置，监测点1和监测点4距离雷击位置较远。从理论上讲，监测点2和监测点3的过电压波形相似度最高。于是可根据相邻监测点的波形相似度判断雷击发生的位置。将雷击点与水平线路的距离记为S，杆塔高度记为H，雷电电流幅值记为I0，则仿真结果如表1、表2、表3所示。

表1 不同雷电电流幅值下的测点过电压波形相关系数

表2 不同水平距离下的测点过电压波形相关系数

表3 不同杆塔高度条件下的测点过电压波形相关系数

（3）讨论。电压波形相关系数的计算结果越大，说明波形的相似度越高，靠近雷击部位的监测点相关系数值最大。表1固定了S和H这2个参数，以3种雷电电流幅值开展仿真，均表现为ρ2,3＞ρ1,2且ρ2,3＞ρ3,4。在表3中，固定I0和H这2个参数，改变S的取值，均表现为ρ2,3的计算结果最大。在表4中，固定I0和S这2个参数，改变H的取值，同样表现为ρ2,3的计算结果最大。说明在不同条件下，靠近雷击点两侧的监测点在过电压波形上的相似度最高。根据这一原理，电力单位可通过计算波形相关系数确定雷击发生的位置，指导检修人员快速修复故障。

3 结 论

根据电力系统的供电可靠性调查结果，线路破损断裂、短路、雷击等故障属于重点防控对象。文章主要分析了断线故障和雷击过电压故障的检测识别方法及发生区段定位方法。在断线故障检测中，将正负序电流和相电流作为判据，利用电压检测装置获取相邻监测点的电压差异，进而确定故障区段。在雷击过电压的故障识别中，采用小波包分解法获取高频能量和低频能量，构造判别系数，进而区分直击雷过电压和感应雷过电压，雷击区段的定位采用过电压波形相关性判断。